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Atomic Structure and Properties · ⁨原子構造と性質⁩

AP Chemistry · ⁨AP化学⁩ · Topic 1 · ⁨トピック 1⁩

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9:19

原子構造と性質

化学反応式は粒子の数を表します。この物質2個があの物質1個と反応します。しかし原子はあまりにも小さすぎて数えることができず、手渡してくれるような装置もありません。…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

1.1

Moles and Molar Mass · ⁨モルとモル質量⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.1.A: Calculate quantities of a substance or its relative number of particles using dimensional analysis and the mole concept.

  • 1.1.A.1 One cannot count particles directly while performing laboratory work. Thus, there must be a connection between the masses of substances reacting and the actual number of particles undergoing chemical changes.
  • 1.1.A.2 Avogadro's number ($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$) provides the connection between the number of moles in a pure sample of a substance and the number of constituent particles (or formula units) of that substance.
  • 1.1.A.3 Expressing the mass of an individual atom or molecule in atomic mass units (amu) is useful because the average mass in amu of one particle (atom or molecule) or formula unit of a substance will always be numerically equal to the molar mass of that substance in grams. Thus, there is a quantitative connection between the mass of a substance and the number of particles that the substance contains.
    • Equation: $n = m/M$
日本語

学習目標 1.1.A: 次元解析およびモルの概念を用いて、物質の量やその相対的な粒子数を計算する。

  • 1.1.A.1 実験作業中に粒子を直接数えることはできない。したがって、反応する物質の質量と化学変化を起こす実際の粒子数の間には、何らかの関連性が必要である。
  • 1.1.A.2 アボガドロの数($N_{\mathrm{A}} = 6.022 \times 10^{23}\ \mathrm{mol}^{-1}$)は、純粋な試料中のモル数と、その物質の構成粒子(または式単位)の数との間に関連性を示している。
  • 1.1.A.3 個々の原子や分子の質量を原子質量単位(amu)で表すことは有用である。なぜなら、1つの粒子(原子または分子)または式単位の平均質量(amu)は、数値的に常にその物質のモル質量(g/mol)に等しいからである。したがって、物質の質量とそれが含む粒子数の間には量的な関係がある。
    • 式: $n = m/M$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Because atoms are far too small to count, chemists count in moles 摩尔. One mole is Avogadro's number 阿伏伽德罗常数 of particles, $N_A=6.022\times10^{23}$. The molar mass 摩尔质量 (grams per mole, read off the periodic table) converts between mass and moles:

$$n=\frac{m}{M}.$$
Moles are the bridge between the lab (grams you weigh) and the equation (particles that react).

Worked example. How many moles, and how many molecules, are in $36.0\ \text{g}$ of water ($M=18.0\ \text{g/mol}$)?

$$n=\frac{m}{M}=\frac{36.0}{18.0}=2.0\ \text{mol},\qquad N=n\,N_A=2.0\times6.022\times10^{23}=1.2\times10^{24}\ \text{molecules}.$$

日本語

原子は非常に小さすぎて数えることができないため、化学者は モル で単位数量を表す。1モルは アボガドロの定数 $N_A=6.022\times10^{23}$ 個の粒子にあたる。モル質量(周期表から読み取れるg/mol)は、質量とモル数を相互に変換するために用いる:

$$n=\frac{m}{M}.$$
モルは、実験室で秤量する質量(g)と、反応する粒子数を結びつける橋渡しの役割を果たしている。

モールはハブとなる: 質量、粒子数、気体体積、濃度の変換
モールはハブとなる: 質量、粒子数、気体体積、濃度の変換

** worked example.** $36.0\ \text{g}$ の水($M=18.0\ \text{g/mol}$)には、モル数がいくつ、分子数はいくつあるか?

$$n=\frac{m}{M}=\frac{36.0}{18.0}=2.0\ \text{mol},\qquad N=n\,N_A=2.0\times6.022\times10^{23}=1.2\times10^{24}\ \text{molecules}.$$

Explore · ⁨探索⁩

Link mass, moles and molar mass

Molar mass $M$ is the bridge between the mass you weigh and the number of moles: $m = M \times n$. Because $M$ is fixed for a substance, mass is proportional to moles — double the moles, double the mass.

1.2

Mass Spectra of Elements · ⁨元素の質量スペクトル⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.2.A: Explain the quantitative relationship between the mass spectrum of an element and the masses of the element's isotopes.

  • 1.2.A.1 The mass spectrum of a sample containing a single element can be used to determine the identity of the isotopes of that element and the relative abundance of each isotope in nature.
  • 1.2.A.2 The average atomic mass of an element can be estimated from the weighted average of the isotopic masses using the mass of each isotope and its relative abundance.
    • Exclusion Statement: Interpreting mass spectra of samples containing multiple elements or peaks arising from species other than singly charged monatomic ions will not be assessed on the AP Exam.
日本語

学習目標 1.2.A: 元素の質量スペクトルと、その元素の同位体の質量との間の量的な関係を説明する。

  • 1.2.A.1 単一元素を含む試料の質量スペクトルは、その元素の同位体の同定および各同位体の自然界における相対的存在率の決定に用いられる。
  • 1.2.A.2 各同位体の質量とその相対的存在率を用いて、同位体質量の加重平均を計算することで、元素の平均原子質量を推定できる。
    • 除外事項: 複数の元素を含む試料の質量スペクトルの解釈や、単一電荷の単原子イオン以外の種によるピークの解釈については、AP試験では評価されない。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English
Mass spectrometry

A mass spectrometer 质谱仪 separates atoms by mass, giving a mass spectrum 质谱: peaks at each isotope 同位素 (same element, different neutron count) with heights showing their relative abundance 相对丰度. The element's average atomic mass is the abundance-weighted average of its isotope masses.

Worked example. Chlorine is $75.8\%$ chlorine-35 and $24.2\%$ chlorine-37. Its average atomic mass is

$$A_r=(35)(0.758)+(37)(0.242)=26.5+8.95=35.5.$$
The average lies closer to $35$ because that isotope is more abundant – which is why the periodic-table value is $35.5$, not a whole number.

日本語
質量分析

質量分析計は質量に基づいて原子を分離し、質量スペクトルを提供する。各同位体(同一元素だが中性子数が異なる)におけるピークの高さはその相対存在度を示しており、元素の平均原子質量は同位体の質量の存在度重み平均である。

相対原子質量は、同位体の存在比で重み付けした平均値である
相対原子質量は、同位体の存在比で重み付けした平均値である
塩素の質量スペクトル: 存在比の異なる2つの同位体
塩素の質量スペクトル: 存在比の異なる2つの同位体

** worked example.** 塩素は $75.8\%$ が塩素-35、$24.2\%$ が塩素-37である。その平均原子質量は

$$A_r=(35)(0.758)+(37)(0.242)=26.5+8.95=35.5.$$
平均値は $35$ に近い。なぜなら、この同位体の方が存在比が高いからである。そのため周期表の値は整数ではなく $35.5$ となる。

Explore · ⁨探索⁩

Explore isotopes — same element, different mass

Keep the protons fixed but change the neutrons to build the two chlorine isotopes ($^{35}$Cl and $^{37}$Cl). Same element, different mass — exactly the peaks a mass spectrum shows.

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English 日本語
moles/məʊlz/ 物質量
Avogadro's number/ˌævəˈɡædrəʊz ˈnʌmbə/ アボガドロ定数
molar mass/ˈməʊlə mæs/ モル質量
mass spectrometer/mæs spekˈtrɒmɪtə/ 質量分析計
mass spectrum/mæs ˈspektrəm/ 質量スペクトル
isotope/ˈaɪsətəʊp/ 同位体 (isotope)
relative abundance/ˈrelətɪv əˈbʌndəns/ 相対的な豊度
percent composition/pəˈsent ˌkɒmpəˈzɪʃn/ 組成百分率
1.3

Elemental Composition of Pure Substances · ⁨純物質の元素組成⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.3.A: Explain the quantitative relationship between the elemental composition by mass and the empirical formula of a pure substance.

  • 1.3.A.1 Some pure substances are composed of individual molecules, while others consist of atoms or ions held together in fixed proportions as described by a formula unit.
  • 1.3.A.2 According to the law of definite proportions, the ratio of the masses of the constituent elements in any pure sample of that compound is always the same.
  • 1.3.A.3 The chemical formula that lists the lowest whole number ratio of atoms of the elements in a compound is the empirical formula.
日本語

学習目標 1.3.A: 純物質の質量による元素組成と実験式との間の量的な関係を説明する。

  • 1.3.A.1 純物質の中には、個別の分子から構成されるものもあれば、式単位によって記述される一定の比率で結合した原子やイオンから構成されるものもある。
  • 1.3.A.2 定比例の法則によれば、その化合物の純粋な試料に含まれる構成元素の質量比は常に一定である。
  • 1.3.A.3 化合物内の元素の原子の最も簡単な整数比を列挙した化学式を、実験式という。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

The percent composition 百分组成 of a compound is each element's mass fraction. From it you find the empirical formula 实验式 (simplest whole-number ratio of atoms) by converting each element's mass to moles and dividing by the smallest. The molecular formula 分子式 is a whole-number multiple of the empirical formula, found from the molar mass.

Worked example. A compound is $40.0\%$ C, $6.7\%$ H, and $53.3\%$ O by mass. Assuming $100\ \text{g}$, convert each mass to moles and divide by the smallest:

$$\text{C}:\frac{40.0}{12}=3.33,\quad \text{H}:\frac{6.7}{1}=6.7,\quad \text{O}:\frac{53.3}{16}=3.33 \;\xrightarrow{\div 3.33}\; 1:2:1,$$
so the empirical formula is $\text{CH}_2\text{O}$. If the molar mass were $180\ \text{g/mol}$ ($=6\times30$), the molecular formula would be $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ – glucose.

日本語

化合物の百分組成とは、各元素の質量分率のことです。これを用いて、各元素の質量を物質量に変換し、最も小さい値で割ることで、原子の最も単純な整数比である実験式を求められます。分子式は、実験式の整数倍であり、モル質量から導かれます。

簡易化学式の導出: 質量→モル数、最小値で割り、比率を読み取る
簡易化学式の導出: 質量→モル数、最小値で割り、比率を読み取る

** worked example.** ある化合物は質量基準で $40.0\%$ C、$6.7\%$ H、$53.3\%$ O を含み、総質量は $100\ \text{g}$ と仮定する。各質量をモル数に変換し、最小値で割る:

$$\text{C}:\frac{40.0}{12}=3.33,\quad \text{H}:\frac{6.7}{1}=6.7,\quad \text{O}:\frac{53.3}{16}=3.33 \;\xrightarrow{\div 3.33}\; 1:2:1,$$
したがって簡易化学式は $\text{CH}_2\text{O}$ である。もしモル質量が $180\ \text{g/mol}$ ($=6\times30$)であれば、分子式は $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$ となり、これはグルコースである。

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
empirical formula/emˈpɪrɪkl ˈfɔːmjʊlə/ 経験式
molecular formula/məˈlekjʊlə ˈfɔːmjʊlə/ 分子式
mixture/ˈmɪkstʃə/ 混合物
1.4

Composition of Mixtures · ⁨混合物の組成⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.4.A: Explain the quantitative relationship between the elemental composition by mass and the composition of substances in a mixture.

  • 1.4.A.1 Pure substances contain atoms, molecules, or formula units of a single type. Mixtures contain atoms, molecules, or formula units of two or more types, whose relative proportions can vary.
  • 1.4.A.2 Elemental analysis can be used to determine the relative numbers of atoms in a substance and to determine its purity.
日本語

学習目標 1.4.A: 質量による元素組成と混合物中の物質の組成との間の量的な関係を説明する。

  • 1.4.A.1 純物質は単一の種類の原子、分子、または式単位を含む。混合物は2つ以上の種類の原子、分子、または式単位を含み、それらの相対的な比率は変化する可能性がある。
  • 1.4.A.2 元素分析を用いて、物質に含まれる原子の相対的な数を特定し、純度を判定することができる。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Unlike a pure compound, a mixture 混合物 has variable composition – its parts keep their own identities. Describe a mixture by the mass or mole fraction of each component; these do not follow a fixed formula. Spectroscopy (like PES or absorption) can measure how much of each component is present.

日本語

純粋な化合物と異なり、混合物は組成が一定ではなく、構成成分それぞれが独自の性質を保っています。混合物は各成分の質量分率や物質量分率で記述されますが、固定された化学式に従いません。分光法(PESや吸収スペクトロscopyなど)を用いることで、各成分の含有量を測定できます。

1.5

Atomic Structure and Electron Configuration · ⁨原子構造と電子配置⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.5.A: Represent the ground-state electron configuration of an atom of an element or its ions using the Aufbau principle.

  • 1.5.A.1 The atom is composed of negatively charged electrons and a positively charged nucleus that is made of protons and neutrons.
  • 1.5.A.2 Coulomb's law is used to calculate the force between two charged particles.
    • Equation: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
  • 1.5.A.3 In atoms and ions, the electrons can be thought of as being in "shells (energy levels)" and "subshells (sublevels)," as described by the ground-state electron configuration. Inner electrons are called core electrons, and outer electrons are called valence electrons. The electron configuration is explained by quantum mechanics, as delineated in the Aufbau principle and exemplified in the periodic table of the elements.
    • Exclusion Statement: The assignment of quantum numbers to electrons in subshells of an atom will not be assessed on the AP Exam.
  • 1.5.A.4 The relative energy required to remove an electron from different subshells of an atom or ion or from the same subshell in different atoms or ions (ionization energy) can be estimated through a qualitative application of Coulomb's law. This energy is related to the distance from the nucleus and the effective (shield) charge of the nucleus.
日本語

学習目標 1.5.A: オフーバウ原理を用いて、元素の原子またはイオンの基底状態電子配置を表す。

  • 1.5.A.1 原子は、負の電荷を持つ電子と、陽子と中性子からなる正の電荷を持つ原子核で構成されている。
  • 1.5.A.2 クーロンの法則は、2つの帯電粒子間の力を計算するために用いられる。
    • 式: $F_{coulombic} \propto \dfrac{q_1 q_2}{r^2}$
  • 1.5.A.3 原子やイオンにおいて、電子は「殻(エネルギー準位)」および「副殻(サブレベル)」にあると考えられるが、これは基底状態電子配置によって説明される。内側の電子はコア電子と呼ばれ、外側の電子は価電子と呼ばれる。電子配置は量子力学によって説明され、オフーバウ原理で規定され、元素周期表で例示されている。
    • 除外事項: 原子の副殻内の電子に対する量子数の割り当てについては、AP試験では評価されない。
  • 1.5.A.4 異なる副殻からの電子の除去、あるいは同じ副殻でも異なる原子やイオンからの電子の除去に必要な相対的なエネルギー(第一イオン化エネルギーなど)は、クーロンの法則の定性的な適用によって推定できる。このエネルギーは、原子核からの距離および原子核の有効(遮蔽)電荷に関係している。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

An atom is a tiny nucleus 原子核 (protons and neutrons) surrounded by electrons in shells and subshells (s, p, d, f). The electron configuration 电子排布 lists how electrons fill these, lowest energy first (e.g. $1s^2\,2s^2\,2p^6$). The outermost, highest-energy electrons – the valence electrons 价电子 – control chemistry. Coulomb's law explains their energies: electrons closer to, and less shielded from, the nucleus are held more tightly.

Worked example. Write the electron configuration of sulfur ($Z=16$). Fill subshells in order until $16$ electrons are placed: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$. The $3s$ and $3p$ electrons (six in total) are the valence electrons, so sulfur tends to gain two electrons to complete its octet.

日本語

原子は、電子が殻および亜殻(s, p, d, f)に配置されている微小な原子核(陽子と中性子)から成ります。電子配置は、これらの軌道に電子が充填される様子を示し、エネルギーが低い順に並べます(例:$1s^2\,2s^2\,2p^6$)。最外殻の最高エネルギー電子——価電子——が化学的性質を決定します。クーロンの法則により、そのエネルギーが説明されます。原子核に近い、あるいは遮蔽効果が少ない電子ほど強く引きつけられます。

An atom: a tiny nucleus of protons and neutrons, with electrons in shells
An atom: a tiny nucleus of protons and neutrons, with electrons in shells

9つの炎を焚いた容器が並び、それぞれ異なる鮮やかな色(深紅、オレンジ、黄色、緑、青、紫)を放つ *炎色反応: 各金属イオンは独自の色を示す。熱によって電子が励起され、基底状態に戻る際に特定の波長の光を放出するためである。

** worked example.** スズ($Z=16$)の電子配置を書け。サブシェルをエネルギー順に埋めていき、$16$ 個の電子を配置するまで続ける: $1s^2\,2s^2\,2p^6\,3s^2\,3p^4$。$3s$ と $3p$ の電子(合計6個)は価電子であるため、スズはオクテットを満たすために電子を2個受け取りやすい。

周期表は原子構造に基づき元素を整理しており、電子配置がそのパターンを説明する
周期表は原子構造に基づき元素を整理しており、電子配置がそのパターンを説明する
Explore · ⁨探索⁩

Explore how electrons fill the shells

Change the atomic number $Z$ and watch the electrons fill the shells lowest-energy-first (the Aufbau principle 构造原理). The outermost electrons are the valence electrons that drive bonding.

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English 日本語
nucleus/ˈnjuːklɪəs/ 核
electron configuration/ɪˈlektrɒn kənˌfɪɡjəˈreɪʃn/ 電子配置
valence electrons/ˈveɪləns ɪˈlektrɒnz/ 最外殻電子
Photoelectron spectroscopy/ˌfəʊtəʊɪˈlektrɒn spekˈtrɒskəpi/ 光電子分光法
Atomic radius/əˈtɒmɪk ˈreɪdɪəs/ 原子半径
Ionization energy/ˌaɪənaɪˈzeɪʃn ˈenədʒi/ イオン化エネルギー
1.6

Photoelectron Spectroscopy · ⁨光電子分光法⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.6.A: Explain the relationship between the photoelectron spectrum of an atom or ion and: i. The ground-state electron configuration of the species. ii. The interactions between the electrons and the nucleus.

  • 1.6.A.1 The energies of the electrons in a given shell can be measured experimentally with photoelectron spectroscopy (PES). The position of each peak in the PES spectrum is related to the energy required to remove an electron from the corresponding subshell, and the relative height of each peak is (ideally) proportional to the number of electrons in that subshell.
日本語

学習目標 1.6.A: 原子またはイオンの光電子スペクトルと以下の関係について説明する: i. その種の基底状態電子配置。 ii. 電子と原子核との相互作用。

  • 1.6.A.1 特定の殻内の電子のエネルギーは、光電子分光法(PES)によって実験的に測定できる。PESスペクトルにおける各ピークの位置は、対応する副殻から電子を取り除くために必要なエネルギーに関連しており、各ピークの相対的な高さは、理想的にはその副殻内の電子の数に比例する。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Photoelectron spectroscopy 光电子能谱 (PES) measures the energy needed to remove electrons from each subshell. Each peak is a subshell: its position gives the binding energy (how tightly held) and its height gives the number of electrons in it. PES data let you read an element's electron configuration and confirm shell structure directly.

日本語

光電子分光法 (PES) は、各サブシェルから電子を取り除くために必要なエネルギーを測定します。各ピークはサブシェルを表し、その位置は結合エネルギー(どれだけ強く保持されているか)を、その高さはその中の電子数を示します。PESデータを用いることで、元素の電子配置を読み取り、殻構造を直接確認できます。

連続電離エネルギーの大きな飛躍が殻構造を示す
連続電離エネルギーの大きな飛躍が殻構造を示す
ネオンの光電子スペクトル: サブシェルごとに1つのピーク、高さは電子数に対応
ネオンの光電子スペクトル: サブシェルごとに1つのピーク、高さは電子数に対応
1.7

Periodic Trends · ⁨周期傾向⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.7.A: Explain the relationship between trends in atomic properties of elements and electronic structure and periodicity.

  • 1.7.A.1 The organization of the periodic table is based on patterns of recurring properties of the elements, which are explained by patterns of ground-state electron configurations and the presence of completely or partially filled shells (and subshells) of electrons in atoms.
    • Exclusion Statement: Writing the electron configuration of elements that are exceptions to the aufbau principle will not be assessed on the AP Exam.
  • 1.7.A.2 Trends in atomic properties within the periodic table (periodicity) can be predicted by the position of the element on the periodic table and qualitatively understood using Coulomb's law, the shell model, and the concepts of shielding and effective nuclear charge. These properties include:
    • i. Ionization energy
    • ii. Atomic and ionic radii
    • iii. Electron affinity
    • iv. Electronegativity.
  • 1.7.A.3 The periodicity (in 1.7.A.2) is useful to predict/estimate values of properties in the absence of data.
日本語

学習目標 1.7.A: 元素の原子性質の傾向と、電子構造および周期性との関係について説明する。

  • 1.7.A.1 元素周期表の編成は、元素の反復する性質のパターンに基づいているが、これらは基底状態電子配置のパターンおよび原子内の完全にまたは部分的に満たされた殻(および副殻)の存在によって説明される。
    • 除外事項: オフブル原理の例外となる元素の電子配置を記述することは、AP試験の評価対象外です。
  • 1.7.A.2 周期表における原子特性の傾向(周期性)は、その元素が周期表に位置する場所によって予測でき、クーロンの法則、殻モデル、遮蔽効果および有効核電荷の概念を用いて定性的に理解できます。これらの特性には以下が含まれます:
    • i. 電離エネルギー
    • ii. 原子半径およびイオン半径
    • iii. 電子親和力
    • iv. 電気陰性度。
  • 1.7.A.3 周期性(1.7.A.2参照)は、データが存在しない場合に特性の値を予測・推定するために有用です。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Trends across the periodic table follow from nuclear charge and shielding:

  • Atomic radius 原子半径 decreases across a period (stronger pull) and increases down a group (more shells).
  • Ionization energy 电离能 (energy to remove an electron) increases across, decreases down – opposite to radius.
  • Electronegativity 电负性 (pull on shared electrons) increases across and up, toward fluorine.
日本語

周期表における傾向は、核電荷と遮蔽効果に基づいています。

電気陰性度は周期方向に増加し、族方向に減少する
電気陰性度は周期方向に増加し、族方向に減少する
  • 原子半径は周期内では減少する(強い引力)、族内では増加する(電子層が増える)。
  • イオン化エネルギー(電子を除去するエネルギー)は周期内で増加し、族内で減少する – 半径とは逆の傾向。
  • 電気陰性度(共有電子に対する引力)は周期内で増加し、族内では上昇する(フッ素に近づく)。
周期法則:半径、イオン化エネルギー、電気陰性度が周期内および族内でどのように変化するか
周期法則:半径、イオン化エネルギー、電気陰性度が周期内および族内でどのように変化するか
Explore · ⁨探索⁩

Explore atomic radius across a period

Step across Period 3 and watch the atomic radius shrink — each added proton raises the effective nuclear charge and pulls the same shell in tighter.

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
Electronegativity/ɪˌlektrəʊŋɡəˈtɪvɪti/ 電気陰性度
cations/ˈkætaɪənz/ カチオン
anions/ˈænaɪənz/ アニオン
ionic compound/aɪˈɒnɪk ˈkɒmpaʊnd/ イオン化合物
1.8

Valence Electrons and Ionic Compounds · ⁨価電子とイオン化合物⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

Learning Objective 1.8.A: Explain the relationship between trends in the reactivity of elements and periodicity.

  • 1.8.A.1 The likelihood that two elements will form a chemical bond is determined by the interactions between the valence electrons and nuclei of elements.
  • 1.8.A.2 Elements in the same column of the periodic table tend to form analogous compounds.
  • 1.8.A.3 Typical charges of atoms in ionic compounds are governed by the number of valence electrons and predicted by their location on the periodic table.
日本語

学習目標 1.8.A: 元素の反応性の傾向と周期性との関係について説明する。

  • 1.8.A.1 2つの元素が化学結合を形成する可能性は、価電子と元素の原子核との相互作用によって決定される。
  • 1.8.A.2 周期表の同じ列にある元素は、類似した化合物を形成する傾向がある。
  • 1.8.A.3 イオン化合物中の原子の一般的な電荷は、価電子の数によって支配され、周期表上の位置によって予測される。

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

English

Atoms gain, lose, or share valence electrons to reach stable configurations. Metals (low ionization energy) lose electrons to form cations 阳离子; nonmetals gain electrons to form anions 阴离子. Oppositely charged ions attract into an ionic compound 离子化合物, whose formula balances the charges to make the whole neutral. For example, aluminium ($3+$) and oxide ($2-$) combine as $\text{Al}_2\text{O}_3$ so the $+6$ and $-6$ cancel.

日本語

原子は安定した電子配置になるために価電子を得る、失う、または共有する。金属(低いイオン化エネルギー)は電子を失ってカチオンを形成し、非金属は電子を得てアニオンを形成する。異なる電荷を持つイオンが引き合ってイオン化合物となり、その化学式は全体の電荷を中和させるようにバランスしている。例えば、アルミニウム($3+$)と酸化物イオン($2-$)は $\text{Al}_2\text{O}_3$ を形成し、$+6$ と $-6$ が相殺される。

Explore · ⁨探索⁩

Watch an ionic bond form by electron transfer

A metal gives up its valence electron(s) and a non-metal takes them, so both reach a full shell. The atoms become oppositely charged ions that attract — that electrostatic pull is the ionic bond.

1.8

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • Use the mole as the hub: convert grams↔moles with $n=m/M$ and moles↔particles with Avogadro's number.
  • Relative atomic mass is the abundance-weighted average of the isotopes — it lies closer to the more abundant one, not halfway.
  • For an empirical formula, turn each element's mass into moles and divide by the smallest; scale up to whole numbers.
  • Read periodic trends from nuclear charge and shielding: atomic radius decreases across a period, ionisation energy and electronegativity increase across (and up).
  • Fill electron configurations in energy order; the outer valence electrons control the chemistry.
日本語
  • モールを中核として使用:$n=m/M$ でグラム↔モール変換を行い、アボガドロ定数でモール↔粒子変換を行う。
  • 相対原子質量は同位体の存在率加重平均であり、より存在率の高い方に近い位置にある(真ん中ではない)。
  • 実験式の場合、各元素の質量をモール数に変換し、最も小さい値で割る;整数にするために倍数する。
  • 核電荷と遮蔽効果から周期法則を読み取る:原子半径は周期内で減少し、イオン化エネルギーと電気陰性度は周期内(および族内の上昇方向)で増加する。
  • 電子配置をエネルギー順に埋めていく;最外殻の価電子が化学的性質を支配する。

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